package com.lmax.disruptor;


import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.VarHandle;

/**
 * [CACHELINE] 左侧缓存行填充类
 * 这是Sequence类缓存行对齐设计的第一层 - 左侧填充
 * 
 * [PERFORMANCE] 设计目的：
 * 避免Sequence的核心value字段与相邻对象共享缓存行
 * 通过56字节填充确保value字段前面有足够的隔离空间
 * 
 * [LOCKFREE] 无锁设计基础：
 * 缓存行对齐是无锁编程的基础优化技术
 * 避免伪共享是提高无锁算法性能的关键因素
 */
class LhsPadding
{
    // [CACHELINE] 左侧填充56字节，配合对象头8字节 = 64字节缓存行
    // 确保继承类的字段不会与前一个对象共享缓存行
    protected byte
        p10, p11, p12, p13, p14, p15, p16, p17,   // 8字节
        p20, p21, p22, p23, p24, p25, p26, p27,   // 8字节  
        p30, p31, p32, p33, p34, p35, p36, p37,   // 8字节
        p40, p41, p42, p43, p44, p45, p46, p47,   // 8字节
        p50, p51, p52, p53, p54, p55, p56, p57,   // 8字节
        p60, p61, p62, p63, p64, p65, p66, p67,   // 8字节
        p70, p71, p72, p73, p74, p75, p76, p77;   // 8字节，总计56字节
}

/**
 * [COMPONENT] 核心值存储类
 * 继承左侧填充后，定义Sequence的核心数据字段
 * 
 * [SEQUENCE] 序列号设计：
 * value字段存储当前的序列号值，这是Disruptor同步机制的核心
 * 序列号用于标识事件的位置和处理进度
 * 
 * [LOCKFREE] 无锁设计要点：
 * value字段将通过VarHandle进行原子操作
 * 位于缓存行填充的中央位置，确保独占缓存行
 */
class Value extends LhsPadding
{
    // [SEQUENCE] 核心序列号字段 - Disruptor同步机制的基础
    // 通过VarHandle进行原子访问，支持CAS、getAndAdd等无锁操作
    // 位于两层填充之间，确保独占64字节缓存行
    protected long value;
}

/**
 * [CACHELINE] 右侧缓存行填充类
 * 这是Sequence类缓存行对齐设计的第三层 - 右侧填充
 * 
 * [PERFORMANCE] 完整的缓存行隔离：
 * 与左侧填充配合，确保value字段完全独占一个缓存行
 * 避免与后续对象的字段发生伪共享
 * 
 * [ARCHITECTURE] 三层设计完整性：
 * LhsPadding(56字节) + Value(8字节) + RhsPadding(56字节) = 120字节
 * 保证value字段在任何内存布局下都能独占缓存行
 */
class RhsPadding extends Value
{
    // [CACHELINE] 右侧填充56字节，确保value字段后方的缓存行隔离
    // 防止与下一个对象的字段共享缓存行，完成缓存行对齐设计
    protected byte
        p90, p91, p92, p93, p94, p95, p96, p97,     // 8字节
        p100, p101, p102, p103, p104, p105, p106, p107,  // 8字节
        p110, p111, p112, p113, p114, p115, p116, p117,  // 8字节
        p120, p121, p122, p123, p124, p125, p126, p127,  // 8字节
        p130, p131, p132, p133, p134, p135, p136, p137,  // 8字节
        p140, p141, p142, p143, p144, p145, p146, p147,  // 8字节
        p150, p151, p152, p153, p154, p155, p156, p157;  // 8字节，总计56字节
}

/**
 * [ANALYSIS] Disruptor框架的核心同步原语 - 无锁序列号
 * 这是一个高性能的并发序列号类，用于跟踪环形缓冲区和事件处理器的进度
 * 
 * [DESIGN] 设计理念：
 * 设计目标：提供线程安全、高性能的序列号操作，支持无锁并发编程
 * 核心思想：通过VarHandle和内存屏障替代synchronized和volatile关键字
 * 实现方式：三层继承实现缓存行对齐 + VarHandle原子操作
 * 
 * [LOCKFREE] 无锁并发特性：
 * 无锁算法：支持CAS操作、原子增减、内存屏障等无锁原语
 * 内存模型：精确控制内存可见性和重排序，保证并发正确性
 * 性能优化：避免线程阻塞和上下文切换，最大化并发吞吐量
 * 
 * [PERFORMANCE] 性能优化技术：
 * 缓存行对齐：三层继承设计避免伪共享，提高多线程访问性能
 * VarHandle操作：使用Java 9+的低级API，性能优于传统volatile
 * 内存屏障：精确控制内存顺序，避免不必要的同步开销
 * 
 * [CONCURRENCY] 并发安全保证：
 * 原子操作：compareAndSet、getAndAdd等操作保证原子性
 * 内存可见性：通过fence操作确保修改对其他线程可见
 * 顺序一致性：防止指令重排序，维护程序语义正确性
 * 
 * [SEQUENCE] 序列号语义：
 * 唯一标识：每个序列号代表环形缓冲区中的一个位置
 * 单调递增：序列号严格按顺序增长，保证事件处理顺序
 * 协调机制：生产者和消费者通过序列号进行无锁协调
 * 
 * [ARCHITECTURE] 内存布局设计：
 * ```
 * |<-- 56字节填充 -->|<-- 8字节value -->|<-- 56字节填充 -->|
 * |   LhsPadding     |     Value       |   RhsPadding    |
 * |                  |  序列号核心字段   |                 |
 * ```
 * 
 * 使用示例：
 * <pre>{@code
 * // 创建序列号
 * Sequence sequence = new Sequence();
 * 
 * // 原子操作
 * long current = sequence.get();
 * sequence.set(current + 1);
 * boolean success = sequence.compareAndSet(current, current + 1);
 * 
 * // 内存屏障操作
 * sequence.setVolatile(newValue);  // 完整内存屏障
 * }</pre>
 * 
 * @author LMAX Exchange Team
 * @version 4.0.0
 * @since 1.0.0
 */
public class Sequence extends RhsPadding
{
    // [SEQUENCE] 序列号初始值常量 - 通常为-1，表示尚未开始
    // 这个值被所有Sequence实例作为起始值，确保一致性
    static final long INITIAL_VALUE = -1L;
    
    // [LOCKFREE] VarHandle字段访问器 - Java 9+的低级原子操作API
    // 用于对value字段进行原子操作，性能优于传统的AtomicLong
    private static final VarHandle VALUE_FIELD;

    // [LOCKFREE] VarHandle初始化静态块
    // 通过反射获取value字段的VarHandle，支持原子操作和内存屏障
    static
    {
        try
        {
            // [PERFORMANCE] 获取value字段的VarHandle实例
            // VarHandle提供比Unsafe更安全、比AtomicFieldUpdater更高效的原子操作
            VALUE_FIELD = MethodHandles.lookup().in(Sequence.class)
                    .findVarHandle(Sequence.class, "value", long.class);
        }
        catch (final Exception e)
        {
            // [DESIGN] 初始化失败说明运行环境不支持VarHandle（Java < 9）
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    /**
     * [SEQUENCE] 创建默认序列号实例
     * 使用初始值-1创建序列号，这是Disruptor的标准起始状态
     * 
     * [WORKFLOW] 构造过程：
     * 调用带参构造函数，传入INITIAL_VALUE(-1)
     * 适用于大多数标准使用场景
     */
    public Sequence()
    {
        this(INITIAL_VALUE);
    }

    /**
     * [SEQUENCE] 创建带指定初始值的序列号实例
     * 允许用户自定义序列号的起始值，支持特殊场景需求
     *
     * [LOCKFREE] 构造过程的内存语义：
     * 1. 使用releaseFence()确保之前的操作对其他线程可见
     * 2. 直接设置value字段，此时还没有并发访问
     * 3. releaseFence()保证构造完成后的可见性
     * 
     * [PERFORMANCE] 内存屏障选择：
     * 使用releaseFence而非fullFence，避免不必要的读屏障开销
     * 构造阶段通常不需要完整的内存屏障保护
     *
     * @param initialValue 序列号的初始值，通常为-1或0
     */
    public Sequence(final long initialValue)
    {
        // [LOCKFREE] Release内存屏障：确保对象构造的可见性
        // 保证在构造完成后，其他线程能够正确看到初始化的value
        VarHandle.releaseFence();
        this.value = initialValue;
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 执行序列号的volatile读取操作
     * 提供内存可见性保证，确保读取到其他线程的最新修改
     *
     * [PERFORMANCE] 内存语义：
     * 1. 普通读取：直接读取value字段的值
     * 2. Acquire屏障：确保读取操作的内存可见性和顺序
     * 3. 避免指令重排序，保证读取语义的正确性
     * 
     * [CONCURRENCY] 并发语义：
     * 相当于volatile读取，但性能更好
     * 保证读取到的是最新的已发布值
     * 与其他线程的写操作建立happens-before关系
     * 
     * [DESIGN] 设计考虑：
     * 使用普通读取+acquire屏障的方式，而非VarHandle.getVolatile()
     * 这种方式在某些平台上性能更好，减少不必要的开销
     *
     * @return 当前序列号的值，保证内存可见性
     */
    public long get()
    {
        // [LOCKFREE] 执行普通读取，然后使用acquire屏障确保可见性
        long value = this.value;
        // [CONCURRENCY] Acquire内存屏障：确保读取操作的可见性和顺序
        // 防止后续操作重排序到读取之前，建立内存同步关系
        VarHandle.acquireFence();
        return value;
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 执行序列号的有序写入操作
     * 提供Store/Store屏障语义，确保写入操作的正确顺序
     *
     * [PERFORMANCE] 内存语义：
     * 1. Release屏障：确保之前的所有写操作都在本次写入之前完成
     * 2. 普通写入：直接设置value字段的值
     * 3. 比volatile写入性能更好，避免不必要的读屏障
     * 
     * [CONCURRENCY] 写入顺序保证：
     * Store/Store屏障：确保之前的写入在本次写入前完成
     * 与读取线程的acquire操作建立happens-before关系
     * 适用于需要有序发布但不需要立即可见性的场景
     * 
     * [USAGE] 使用场景：
     * 适合生产者发布事件时使用
     * 保证事件数据的写入在序列号更新之前完成
     * 比setVolatile()性能更好，适合高频调用
     *
     * @param value 要设置的新序列号值
     */
    public void set(final long value)
    {
        // [LOCKFREE] Release内存屏障：确保之前的写操作都已完成
        // 建立内存同步点，保证事件数据在序列号更新前已写入
        VarHandle.releaseFence();
        this.value = value;
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 执行序列号的完全volatile写入操作
     * 提供最强的内存语义保证，包含完整的内存屏障
     *
     * [PERFORMANCE] 完整内存语义：
     * 1. Release屏障：确保之前的所有操作在写入前完成
     * 2. 普通写入：设置value字段的值
     * 3. Full屏障：确保写入立即对所有线程可见，并防止后续操作重排序
     * 
     * [CONCURRENCY] 最强同步保证：
     * Store/Store屏障：与之前的写操作建立顺序关系
     * Store/Load屏障：与后续的读操作建立顺序关系
     * 完整内存屏障：提供顺序一致性保证
     * 
     * [USAGE] 使用场景：
     * 需要立即可见性的关键同步点
     * 重要状态变更需要强一致性保证时
     * 性能开销最大，应谨慎使用
     * 
     * [DESIGN] 与set()的区别：
     * set()：只有Store/Store屏障，性能更好
     * setVolatile()：完整内存屏障，一致性更强
     *
     * @param value 要设置的新序列号值，立即对所有线程可见
     */
    public void setVolatile(final long value)
    {
        // [LOCKFREE] Release屏障：确保之前的操作完成
        VarHandle.releaseFence();
        this.value = value;
        // [CONCURRENCY] Full屏障：确保立即可见性和防止重排序
        // 这是最强的内存屏障，提供顺序一致性保证
        VarHandle.fullFence();
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 执行原子的比较并交换操作（CAS）
     * 这是无锁编程的核心原语，提供原子的条件更新
     *
     * [ATOMICITY] 原子操作语义：
     * 1. 原子读取：读取当前value值
     * 2. 条件比较：与期望值进行比较
     * 3. 条件更新：仅在相等时更新为新值
     * 4. 返回结果：操作是否成功
     * 
     * [LOCKFREE] 无锁算法基础：
     * ABA问题免疫：通过版本号机制避免ABA问题
     * 无阻塞特性：失败时立即返回，不会阻塞线程
     * 重试机制：通常配合循环使用，实现无锁更新
     * 
     * [PERFORMANCE] 性能特征：
     * 硬件级原子操作：利用CPU的CAS指令
     * 无锁竞争：多线程竞争时性能优于synchronized
     * 失败开销小：失败时仅消耗CAS指令开销
     * 
     * [USAGE] 典型使用模式：
     * <pre>{@code
     * // 无锁递增
     * long current;
     * do {
     *     current = sequence.get();
     * } while (!sequence.compareAndSet(current, current + 1));
     * }</pre>
     *
     * @param expectedValue 期望的当前值
     * @param newValue      要更新的新值
     * @return true 如果操作成功（当前值等于期望值），false 否则
     */
    public boolean compareAndSet(final long expectedValue, final long newValue)
    {
        // [LOCKFREE] 使用VarHandle进行原子CAS操作
        // 这是硬件级别的原子操作，性能优于synchronized或volatile
        return VALUE_FIELD.compareAndSet(this, expectedValue, newValue);
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 原子递增序列号并返回新值
     * 这是addAndGet(1)的便利方法，用于常见的递增操作
     *
     * [ATOMICITY] 原子递增语义：
     * 内部调用addAndGet(1)实现
     * 保证递增操作的原子性
     * 返回递增后的新值
     * 
     * [USAGE] 典型使用场景：
     * 序列号生成器：为事件分配唯一序列号
     * 计数器：原子递增计数
     * 版本号管理：无锁版本号递增
     *
     * @return 递增后的新值
     */
    public long incrementAndGet()
    {
        return addAndGet(1);
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 原子地添加指定值并返回新值
     * 使用硬件级getAndAdd指令实现高性能原子操作
     *
     * [ATOMICITY] 原子加法语义：
     * 1. 原子获取当前值并增加指定值
     * 2. 将原值与增量相加得到新值
     * 3. 返回加法操作后的结果
     * 
     * [PERFORMANCE] 性能优化：
     * 硬件级原子操作：利用CPU的getAndAdd指令
     * 无锁实现：避免线程阻塞和上下文切换
     * 单次操作：比CAS循环性能更好
     * 
     * [LOCKFREE] 与CAS的比较：
     * addAndGet：硬件原子操作，性能稳定
     * CAS循环：需要重试机制，竞争激烈时性能下降
     * 
     * [USAGE] 使用场景：
     * 批量序列号申请：next(n)操作的基础
     * 性能计数：高频统计场景
     * 状态累加：原子累加状态值
     *
     * @param increment 要添加的值，可以为负数实现递减
     * @return 加法操作后的新值
     */
    public long addAndGet(final long increment)
    {
        // [LOCKFREE] 使用VarHandle的getAndAdd原子操作
        // 获取原值并加上增量，然后返回新值
        return (long) VALUE_FIELD.getAndAdd(this, increment) + increment;
    }

    /**
     * [LOCKFREE] 原子地添加指定值并返回原值
     * 这是底层的原子操作，返回加法操作前的值
     *
     * [ATOMICITY] 获取并增加语义：
     * 1. 原子获取当前值
     * 2. 将当前值增加指定值
     * 3. 返回操作前的原始值
     * 
     * [PERFORMANCE] 硬件级原子操作：
     * 直接使用VarHandle.getAndAdd
     * CPU级别的原子指令支持
     * 比CAS循环更高效
     * 
     * [USAGE] 使用场景：
     * 需要知道操作前值的场景
     * 实现其他原子操作的基础
     * 序列号申请：申请n个序列号时返回起始位置
     * 
     * [DESIGN] 与addAndGet的区别：
     * getAndAdd：返回原值，操作后的值需要自行计算
     * addAndGet：返回新值，直接得到操作结果
     *
     * @param increment 要添加的值
     * @return 加法操作前的原始值
     */
    public long getAndAdd(final long increment)
    {
        // [LOCKFREE] 直接使用VarHandle的getAndAdd原子操作
        // 这是最底层的原子操作，其他方法基于此实现
        return (long) VALUE_FIELD.getAndAdd(this, increment);
    }

    /**
     * [UTILITY] 返回序列号的字符串表示
     * 通过调用get()方法获取当前值并转换为字符串
     * 
     * [CONCURRENCY] 线程安全性：
     * 调用get()方法，保证读取的线程安全性
     * 提供内存可见性保证，获取最新的序列号值
     * 
     * [USAGE] 调试和日志：
     * 适用于调试信息输出
     * 日志记录和监控
     * 开发阶段状态检查
     *
     * @return 当前序列号的字符串表示
     */
    @Override
    public String toString()
    {
        // [CONCURRENCY] 使用get()方法确保线程安全的读取
        return Long.toString(get());
    }
}